電力變壓器局部放電的電氣診斷技術(shù)
2012-12-31 00:00:00張軍
【摘 要】目前我國正處于電力建設(shè)的高峰期和關(guān)鍵期，迫切需要研究和發(fā)展相應(yīng)的超/特高壓輸變電關(guān)鍵技術(shù)。作為電力系統(tǒng)輸變電關(guān)鍵設(shè)備，電力變壓器的容量和電壓等級也隨之越來越高，其可靠運行對電力系統(tǒng)的安全、經(jīng)濟運行具有重要意義。本文主要結(jié)合電力變壓器局部放電的電氣進行診斷。
【關(guān)鍵詞】電力變壓器；局部放電；電氣診斷
電能是國民經(jīng)濟發(fā)展的基礎(chǔ)，它和人民的生產(chǎn)和生活息息相關(guān)，目前超高壓和特高壓輸變電技術(shù)發(fā)展迅速，電力變壓器作為電力系統(tǒng)輸變電關(guān)鍵設(shè)備，其可靠運行對電力系統(tǒng)的經(jīng)濟、安全極其重要。目前局部放電測量已經(jīng)成為監(jiān)控電力變壓器質(zhì)量的重要指標(biāo)，國內(nèi)外的制造廠家也把局部放電測量作為電力變壓器出廠時的試驗項目，以此控制其質(zhì)量[1]。
1.局部放電引起介質(zhì)劣化和損傷的機理
對于電力變壓器等高電壓設(shè)備的絕緣，由于絕緣內(nèi)部或表面發(fā)生局部放電而造成的放電電老化是不容忽視的。局部放電引起介質(zhì)劣化和損傷的機理是多方面的，主要包括三種效應(yīng)：（1）帶電質(zhì)點（電子和正、負(fù)離子）對介質(zhì)表面的撞擊，切斷分子構(gòu)造；（2）由于帶電質(zhì)點撞擊介質(zhì)，在放電點引起介質(zhì)局部溫度上升，使介質(zhì)加速氧化，導(dǎo)致材料的機械、電氣性能下降；（3）局部放電產(chǎn)生的活性生成物對介質(zhì)的氧化作用使介質(zhì)逐漸劣化。局部放電使電介質(zhì)長時間擊穿電壓常常不到短時擊穿電壓的幾分之一，已經(jīng)成為電力變壓器絕緣劣化的重要原因。
2.電氣定位方法
當(dāng)變壓器內(nèi)部發(fā)生局部放電時，所產(chǎn)生的放電脈沖沿繞組傳播到達測量端。該放電脈沖包含了放電特性和局部放電定位所需要的一些信息，通過對此脈沖進行分析，可確定局放源的具體位置。傳統(tǒng)的電氣定位方法很多，諸如起始電壓法、極性法、行波法、電容分量法等[2]。
2.1改進電容分量法
變壓器只是在某一個頻率范圍內(nèi)等效為一個電容梯形網(wǎng)絡(luò)，在改進的電容分量法中，該頻率范圍的確定就顯得尤為重要。一般而言，該頻率范圍的確定是由試驗獲得。將一個函數(shù)發(fā)生器接到繞組的一端，并提供頻率可變的電壓，另一端接地，同時測量輸入電壓和繞組電壓。當(dāng)在此等效頻率范圍時，會出現(xiàn)最小電壓相位移，即輸入波形和輸出波形相似。而后采用數(shù)字濾波將此頻率范圍以外的信號去掉，采用上述方程進行計算。
改進電容分量法利用數(shù)字濾波技術(shù)，能夠獲得沿變壓器繞組脈沖的電容傳輸分量；該方法對干擾信號完全抑制，頻帶選擇靈活，且頻率補償容易，與新的直線內(nèi)插法結(jié)合可以解決一些實際問題，能夠得到較高的定位精度。
2.2端點電流脈沖頻譜分析法
在 0.01MHz～0.1MHz 這個中間頻率范圍內(nèi)，變壓器繞組的傳輸特性表現(xiàn)為振蕩傳播即發(fā)生在繞組中的局部放電脈沖以振蕩形式傳輸。此時，在變壓器測量端點所得到的局部放電電流脈沖因局放源位置不同， 其頻譜有較大的差異。對連續(xù)餅式繞組（ 以84餅為例），從不同位置注入放電脈沖，從而模擬了繞組中不同位置的局部放電，用繞組的簡化等效電路計算出相應(yīng)放電注入電流對應(yīng)的傳遞函數(shù)，從而根據(jù)頻譜分析來確定放電點的位置。在此基礎(chǔ)上，采用建立仿真模型并結(jié)合試驗的方法，研究了不同的局部放電脈沖傳播路徑的傳遞函數(shù)，在分析傳遞函數(shù)頻譜特性的基礎(chǔ)上，提出了根據(jù)相應(yīng)信號高頻分量和能量的局部放電電氣定位方法。
盡管人們對變壓器繞組特性的研究較多，相應(yīng)的也出現(xiàn)了一些電氣定位方法，但由于各種電氣定位法現(xiàn)場操作復(fù)雜，使用范圍限制較大，且由于變壓器內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜及放電部位的不同，使得放電脈沖的波過程也會出現(xiàn)不同程度的振蕩，而對放電信號的檢測卻只能在變壓器的測量端點進行，因而精度不高，所以目前在實際定位中很少采用。
3.變壓器繞組中局部放電的診斷方法
通過基于傳輸函數(shù)的局部放電定位之后，我們最終目的是進行變壓器繞組中局部放電的診斷，下面將詳細介紹具體方法。
①基于灰度圖像形態(tài)譜的變壓器局部放電模式識別。變壓器局部放電識別是指利用計算機對放電部位進行分類和特征描述，以便診斷變壓器絕緣狀態(tài)的好壞，目前，根據(jù)特征提取的不同變壓器局部放電識別可分為統(tǒng)計法時域分析法，本文利用數(shù)學(xué)工具中的形態(tài)譜反映變壓器局部放電灰度圖像的形態(tài)特征，然后進行歸一化處理，作為識別變壓器局部放電時的特征向量，然后把不同類型放電形態(tài)譜輸入到 BP 雙層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)放電模式識別。
②基于BP雙層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和形態(tài)譜識別變壓器局部放電。本文采用具有雙隱含層結(jié)構(gòu)的前饋 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行局部放電識別，輸入層由100個節(jié)點組成，輸入變量是變壓器的形態(tài)譜。第一個隱含層由30個節(jié)點組成，第二個隱含層由 20個節(jié)點組成，輸出層是待識別的模式，由6個節(jié)點組成。在進行 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練時從包含不同實驗電壓的放電實驗數(shù)據(jù)中抽取20 組作為樣本，傳遞函數(shù)采取logsig 型對待識別的樣本進行識別，經(jīng)過實驗得出該方法對油中懸浮放電、空氣電暈放電和油中針板放電識別率最高，在95%以上，而對氣隙放電、空氣沿面放電和油中沿面放電識別率較低，只有72.5%。
圖1 三維譜圖特征參數(shù)構(gòu)造的診斷方法
（1）分別采用BP，RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對變壓器局部放電6種放電模式進行識別的結(jié)果表明，無論是局部放電二維譜圖，還是三維譜圖，RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的收斂速度和穩(wěn)定性都優(yōu)于BP網(wǎng)絡(luò)，具有較高的識別率和較強的推廣能力，可以用作變壓器局部放電模式識別的分類器，在實際中有著良好的應(yīng)用前景。
（2）由于局放三維譜圖的特征參數(shù)比二維譜圖的特征參數(shù)攜帶的信息量大，相應(yīng)的RBF網(wǎng)絡(luò)識別率更高。但是隨著網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜、參數(shù)增多，在樣木數(shù)量較多的情況卜勢必引起計算量加大和計算時間變長。應(yīng)根據(jù)實際情況靈活選用網(wǎng)絡(luò)輸入形式，達到訓(xùn)練快速、診斷結(jié)果優(yōu)二者兼顧的效果。
4.結(jié)論
由于局部放電是造成電力變壓器絕緣劣化的重要原因，因此該問題一直受到電力運行部門的關(guān)注。本文通過對變壓器局部放電定位分析和變壓器局部放電檢測的電磁干擾及抑制方法分析，重點介紹了基于傳輸函數(shù)比進行局部放電定位方法和基于 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和形態(tài)譜識別放電。如何提高變壓器局部放電定位的準(zhǔn)備性，如何把傳輸函數(shù)法和超聲波法、超高頻法等結(jié)合還需要進一步的研究。
【參考文獻】
[1]龐艷榮，劉霜，張麗靜.變壓器局部放電脈沖傳播模型和放電定位的研究[J].煤礦機械，2008（10）：78-80.
[2]孫敬鶴.變壓器局部放電檢測技術(shù)[J].水力采煤與管道運輸，2010（02）：101-102.
